一种CT试件在压-压循环载荷下预制裂纹的防失稳夹具

一种ct试件在压
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压循环载荷下预制裂纹的防失稳夹具
技术领域
1.本发明属于金属材料断裂力学研究领域，具体涉及一种ct试件在压
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压循环载荷下预制裂纹的新型防失稳夹具。夹具能够高效快速的定位并安装ct试件，可以为金属断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率测试试验预制裂纹。


背景技术：

2.线弹性断裂力学研究的是尖锐裂纹，因此在开始断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率测试试验之前，都需要进行预制裂纹，过去主要采用拉
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拉循环载荷预制裂纹，但是有文献(on generating fatigue crack growth thresholds[j].international journal of fatigue,2003.)研究表明这种方法会引起比较高的裂纹闭合载荷和远距离裂纹表面闭合现象，因此提出采用压
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压循环载荷预制裂纹。
[0003]
由于目前还没有ct试件在压
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压循环载荷下预制裂纹的试验标准，因此试验夹具也没有统一的形式。销轴加载是压
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压循环载荷下裂纹预制的一种形式，夹具示意图如图1所示。但有文献(compression pre
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cracking to generate near threshold fatigue
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crack
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growth rates in two aluminum alloys[j].international journal of fatigue,2005.)研究表明采用销轴为ct试件施加压
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压循环载荷会使裂纹尖端应力强度因子产生较大误差，同时在销孔处容易出现微裂纹和塑性变形，这将影响后续金属断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的测量精度，因此对夹具进行了一些改进，主要是在夹具和ct试件之间增加小铝块，改进型夹具示意图如图2所示。
[0004]
改进型夹具虽然在一定程度上解决了原来的缺陷，但仍存在一些问题，需要继续优化，首先夹具结构复杂，配合的面比较多，试件安装过程需要反复调整ct试件与夹具的相对位置，操作率低；其次铝块只是简单得被放到ct试件与夹具之间，没有固定装置，因此循环加载过程中铝块很可能会发生移动，导致载荷对中性变差，最后，夹具也没有考虑ct试件在压缩载荷下的失稳问题，因此综上所述设计一个新型防失稳夹具将有重要意义。


技术实现要素：

[0005]
本发明的技术解决问题：发现现有夹具的不足，采用销轴为ct试件施加压
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压循环载荷会使裂纹尖端应力强度因子产生较大误差；夹具结构复杂，配合的面较多，操作效率低；铝块很可能会发生移动，导致载荷对中性变差；未考虑ct试件失稳问题，因此新型夹具将采用平面接触方式在试件顶端和低端施加压缩载荷，同时增加防失稳设计，简化结构形式。
[0006]
本发明的技术解决方案：一种ct试件在压
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压循环载荷下预制裂纹的防失稳夹具，夹具由图3所示的夹持单元、工作单元和防失稳单元组成。夹具需要通过夹持单元与试验机连接，为了方便试验机夹持，将夹持单元设计成长方体，夹持单元的长宽要根据试验机夹头具体尺寸进行设计，而夹持单元的厚度通常为ct试件厚度的2倍，为了防止夹具在加载过程中出现滑动，夹持单元在加工时要做防滑处理，增加夹持表面的粗糙度；工作单元是带有凹
槽的矩形块，凹槽厚度等于ct试件厚度，凹槽宽度等于ct试件销孔直径，工作时ct试件放在上下工作单元的凹槽内，夹具通过凹槽上下表面与试件顶端和低端接触给ct试件施加压
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压循环载荷，采用平面接触加载代替传统的销轴加载；防失稳单元是在上下两个工作单元基础上铣削加工出来的凹凸结构，不同的是上方的工作单元加工的是内表面，会形成一个凹槽，是阴单元，对应的夹具叫阴夹具，而下方的工作单元加工的是外表面，最终会形成一个凸起，是阳单元，对应的夹具叫阳夹具。二者在加载过程中相互配合，即阳夹具的阳单元会插入到阴夹具的阴单元里，形成交叉结构，起到防失稳的作用。试验用的试件是在ct标准试件基础上增加了两个防滑台，ct标准试件尺寸可以参考astm e647标准，防滑台高度为2—4mm，宽度需由试件尺寸确定，确定原则是从试件边缘到销孔边缘，防滑台可以防止ct试件在加载过程中左右移动，保证载荷对中性不变。夹具整体及各个零件图如图3—图6所示。单元5是ct试件，如图7所示。
[0007]
本发明的优点在于：
[0008]
优点1，新型夹具采用的是平面接触加载，与销轴加载相比，可以减小裂纹尖端应力强度因子误差，试验可重复性更强；
[0009]
优点2，压载预制裂纹与后续的金属断裂韧性、裂纹扩展速率试验使用两套不同夹具，在这种情况下，ct试件的销孔在压载预制裂纹过程中将不会受到任何影响，保证了后续试验结果的测量精度；
[0010]
优点3，新型夹具增加了防失稳结构，这将在加载过程中有效保护ct试件，防止压缩失稳时ct试件飞溅伤害试验机；
[0011]
优点4，在ct试件上增加防滑台，可以有效的解决ct试件在加载过程中可能出现的移动问题，保证载荷对中性不变；
[0012]
优点5，新型夹具结构简单，安装方便，价格便宜，可以有效节省试验的时间和成本。
附图说明
[0013]
图1为现有销轴加载夹具二维结构示意图；
[0014]
图2为现有增加小铝块的销轴加载改进型夹具二维结构示意图；
[0015]
图3为本发明夹具三维结构示意图；
[0016]
图4为本发明夹具二维结构示意图；
[0017]
图5为本发明中阴夹具的正视图和右视图；
[0018]
图6为本发明中阳夹具的正视图和右视图；
[0019]
图7为本发明中ct试件示意图。
[0020]
图中标号说明如下：
[0021]1‑
小铝块；2
‑
夹持单元；3
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工作单元；4
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防失稳单元；5
‑
ct试件；6
‑
防滑台
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实现步骤进一步说明本发明
[0023]
1、ct试件采用7075铝合金制造，本次试验将使用小型ct试件，试件长度l为50mm、销孔直径d为10mm、试件厚度为2mm，试件其他详细结构尺寸可以参考astm
‑
e647标准；
[0024]
2、根据试验件的尺寸设计夹具，夹具的宽度w等于ct试件销孔直径d，为10mm，夹具的夹持单元长度l1为ct试件长度l的0.2倍，为10mm，夹具的夹持单元厚度h为ct试件厚度的2倍，为4mm，工作单元凹槽厚度h1等于ct试件厚度，为2mm，w、l1、h1和h如图5所示，d和l如图7所示，其他尺寸可由实际情况确定。制备夹具；
[0025]
3、试验在mts
‑
880疲劳试验机上进行，首先，通过试验机夹头来固定夹持单元，分别将阴夹具安装到试验机上夹头，阳夹具安装到试验机下夹头，慢慢调整上下夹具的位置，保证二者对中性的同时也要让上下夹具之间留有足够的空间来放置ct试件，然后再把ct试件安装到夹具工作单元的凹槽里，并逐渐降低上夹头，使ct试件的顶端与底端刚好与工作单元凹槽的上下表面接触，试验开始前的夹具防失稳单元只起到固定试件的辅助作用。最后再检查一次夹具和试件的接触情况和对中性，保证无误后开始试验；
[0026]
4、试验所使用的最大压缩载荷应使裂纹尖端应力强度因子绝对值
[0027]
其中e为材料的弹性模量，试验使用的最大压缩载荷为2kn，使用显微镜观察ct试件切口处裂纹长度并记录，直至裂纹扩展0.5mm；
[0028]
5、裂纹预制完成后，记录试验件表面裂纹长度，并将ct试件和夹具从试验机上取下。